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Desarrollan un parámetro que permite medir la macroscopicidad de los experimentos cuánticos de superposición de estados.

El mundo macroscópico que vemos se comporta clásicamente. Es decir, no exhibe comportamientos cuánticos. Hay algo en el proceso de transición desde el mundo diminuto de átomos y moléculas al mundo visible que rompe la coherencia cuántica. Podemos tener partículas en una superposición de estados durante mucho tiempo, pero no podemos tener un gato en un estado de superposición vivo-muerto, ni tan siquiera por un instante. No hay consenso entre los físicos sobre si esta transición es brusca y la Mecánica Cuántica (MC) deja de funcionar a partir de un tamaño dado o si es todo más gradual y suave. La realidad es que los físicos no se ponen de acuerdo en muchos de los aspectos de la MC.
Si consideramos que el proceso es gradual, la decoherencia vendría dada por el ambiente. Habría cada vez mayor dificultad de aislar un sistema, que se hace cada vez más grande, de los efectos de ese ambiente, pues el ruido ambiental realizaría lo que se considera una medición y colapsa la función de ondas del sistema cuántico.
En los últimos tiempos se han venido publicando resultados sobre superposición de estados de objetos mesoscópicos, sobre algunos de los cuales nos hemos hecho eco aquí. De este modo, hay varios grupos de investigación que afirman haber conseguido estados superpuestos con tambores de Schrödinger. Estos son sistemas en los que una pequeña lámina oscila en una superposición de estados de vibración. Es curioso, porque todos ellos dicen haberlo conseguido “por fin”.
El problema es que, hasta el momento, no había una manera de cuantificar la calidad de esa supuesta superposición de estados. Si asumimos (es mucho asumir) que un día se pudiera usar ese tipo de dispositivos en un computador cuántico, de nada nos serviría si el tiempo en el que se puede mantener la superposición de muchos estados antes de que la decoherencia los destruya es muy pequeño.
Ahora, un grupo de investigadores alemanes ha diseñado un modo de cuantificar cómo de grandes pueden ser estos objetos macroscópicos para mantener dos o más estados en superposición cuántica.
Los físicos han ido realizando experimentos de superposición en los últimos tiempos con objetos cada vez más grande con la intención de ver en dónde se produce la transición del mundo cuántico al clásico. Se usaron, por ejemplo, grandes moléculas en experimentos de doble rendija para que interfirieran consigo mismas, pequeñas corrientes circulando al mismo tiempo en direcciones opuestas en dispositivos superconductores, etc. Siempre ha habido cierta ambigüedad a la hora de cuantificar cómo de grande (de macroscópico) es el sistema usado o la calidad de esa superposición.
Stefan Nimmrichter y Klaus Hornberger, de la Universidad de Duisburg-Essen, han definido esa “macroscopicidad” en términos del experimento usado para realizar cierto estado cuántico, en lugar de usar una propiedad del estado en sí mismo (número de átomos, etc). Diseñan una expresión matemática que describe las modificaciones mínimas necesarias a realizar sobre la ecuación dinámica de Schrödinger para destruir ciertos estados cuánticos. La macroscopicidad de un resultado experimental dado está entonces determinada por el número de esas modificaciones que el resultado obtenido ha conseguido descartar. A mayor número de resultados macroscópicos descartados más modificaciones.
Este esquema descasa principalmente en el conocimiento que se tenga de la duración del tiempo de coherencia de la superposición en cuestión, pues una superposición que dure más descarta un mayor número de modificaciones.
Pero la masa del objeto es también importante. Con moléculas más masivas, por ejemplo, se descarta una clase de modificaciones más grande que con moléculas pequeñas para un tiempo de coherencia dado.
Al final se evalúa un parámetros que denominan μ que se entiende mejor si se considera que está basado en una escala logarítmica. A mayor valor de μ mayor será la macroscopicidad. Así por ejemplo, para el experimento realizado en 2010 en la Universidad de Viena, en el que se usaron 356 átomos, se obtiene un valor de μ=12. En interferómetros superconductores de tipo SQUID se alcanzan valores menores porque el delicado estado cuántico en ese caso mantiene la coherencia durante sólo unos pocos nanosegundos.
Estos investigadores estiman que un agregado de medio millón de átomos de oro puede tener una valor de μ=23, valor similar al calculado para la autointerferencia de nanoesferas de dióxido de silicio. Aunque este tipo de experimentos no se han realizado aún.
Si se considera una esfera de 4 kilogramos de agua para simular al famoso gato de Schrödinger y se asume que existe en superposición de otra situada a 10 cm, entonces estos físicos calculan un μ igual a 57. Esto es equivalente a una superposición en electrones de 10⁵⁷ segundos de duración, es decir, 10³⁹ veces la edad del Universo. “Uno nunca puede decir nunca jamás, pero probablemente nunca seremos capaces de poner a un gato en un estado de superposición cuántico”, dice Nimmrichter.

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Fuentes y referencias:
Noticia en PhysicsWorld.
Artículo original.
Foto: Shutterstock/S Castelli.